본 연구에서는 이기종 CNC에 대한 HMI를 개발할 때에 동일한 기능의 소프트웨어 모듈은 서로 다른 CNC를 채용하는 공작기계에서도 공통으로 사용할 수 있도록 통합된 인터페이스 방식을 제시한다. 구체적으로는 Fig. 1과 같이 공작기계의 구성, 상태, 공정 등에 대한 데이터 요소를 구조화한 공작기계 상태 모델을 생성하고, CNC에서 공작기계 상태 모델(Machine State Model)에 주기적으로 실시간 데이터를 업데이트할 수 있도록 연결하여, HMI 소프트웨어 모듈(App)에서는 직접 CNC에 접속하지 않고 공작기계 상태 모델에서 실시간 데이터를 읽어 온다. 여기에서 CNC로부터 공작기계 상태 모델을 연결하는 이기종 CNC 통합 인터페이스(Unified CNC Interface)는 이기종 CNC 고유의 인터페이스 방식을 표준화하여 캡슐화된 형태의 새로운 인터페이스 메소드를 정의하고 공작기계 상태 모델의 데이터 요소에 동기화시키는 방식으로 작동한다.

Fig. 1 
Architecture for communication between HMI and multi-vendor CNCs

본 연구에서 제안하는 공작기계 상태 모델은 공작기계의 구조, 공정, 상태 등에 대한 데이터 요소를 구조화하여 가상의 소프트웨어 시스템 상에 올릴 수 있도록 함으로써, HMI가 CNC 기종에 관계없이 데이터 통신할 수 있도록 지원하는 핵심 컴포넌트이다. 공작기계 상태 모델의 데이터 구조는 Fig. 2와 같으며, CNC에 중립적인 데이터 요소 추출을 위해 ISO 14649 표준의 공정, 공구, 장비 데이터 모델과 상용 CNC들의 주소체계 및 데이터 인터페이스 API를 분석한 결과를 토대로 표준화하여 EXPRESS-G 다이어그램으로 도식화한 것이다.

Fig. 2 
Data schema for machine state model

전체적인 데이터 구조는 하나의 공작기계가 여러 개의 채널을 가질 수 있고, 각 채널은 여러 개의 축과 하나 혹은 그 이상의 스핀들로 구성되며 이들의 상대 움직임에 따른 이송 운동, 장착된 공구, 실행 중인 NC 프로그램, 가공공정 진행 상황, 이상에 따른 알람 발생 등의 다양한 상태정보를 나타낼 수 있다. 또한 채널과 별개로 공작기계 내에 존재하는 공구 리스트와 메모리에 저장된 프로그램 파일 리스트가 존재한다. 단위 공작기계를 식별하는 Machine_Tool 엔티티는 기본적인 장비 구성 정보와 함께 가용 채널, 보유 프로그램 리스트, 보유 공구 리스트 등의 정보를 포함하며, 대부분의 상태 데이터가 각 채널에 따라 상세 속성으로 정의된다.

채널 별로 기록되는 상태 데이터는 Channel 엔티티로 정의되며, 이는 채널의 식별자 정보와 함께 제어 가능한 축 정보, 연결된 스핀들 정보, 이송 상태 정보, 작업 상태 정보, 활성화된 공구 정보, 실행 중인 프로그램 정보를 포함한다. 제어 가능한 축에 대한 데이터들은 Axis 엔티티로 정의되며, 이는 해당 축 식별 정보와 함께 축별로 기록되는 위치 정보, 부하 정보 등과 같은 상태정보를 포함한다. 스핀들별로 기록되는 상태정보를 표현하는 Spindle 엔티티는 해당 스핀들의 식별 정보, 속도 정보, 속도에 대한 오버라이드, 부하 정보, 한계 속도 등으로 구체화될 수 있고, 축 이송에 대한 속도 관련 정보를 표현하는 Feed 엔티티는 가공 이송속도, 가공 이송속도에 대한 오버라이드, 급속 이송에 대한 오버라이드 정보 등을 포함한다.

Tool 엔티티는 공구에 대한 식별자, 기하학적 사양 등을 포함하며 현재 가공 중인 절삭공구와 NC에 등록된 절삭공구 리스트에 대한 데이터 타입으로 사용될 수 있다. 또한 File_System_Specification 엔티티는 NC 프로그램 파일에 대한 파일명, 저장경로 등의 기본정보로 정의되어 메모리에 저장된 NC 프로그램 파일 리스트에 대한 데이터 타입으로 사용될 수 있으며, 실행 중인 NC 프로그램의 진행 상태를 정의하는 Program_Status 엔티티는 File_System 타입의 프로그램 기본 정보와 함께 프로그램 내의 현재 시퀀스 정보, 블록 카운터 정보 등을 포함한다.

그 외에 Work_Status 엔티티는 가공 수량 정보, 가공 시간 등 장비에 할당된 가공 작업들의 진척 상태를 나타내며, Alarm 엔티티는 해당 채널에서 발생한 알람에 대한 정보를 나타내며 알람 유형, 알람 번호, 알람 발생/해제 시간, 알람 메시지 등을 포함한다. 또한 Work_Offset_Specification 엔티티는 채널 내 공작물 좌표계 관련 G 코드에 대한 정보를 나타내며, G 코드 인덱스, 축 별 오프셋 량 리스트 등으로 구체화될 수 있다.

2장에서 정의한 공작기계 상태 모델을 레퍼런스 스키마로 참조하여 Fanuc과 Siemens 제어기에 대한 이기종 CNC 통합 인터페이스를 구현하였으며, Fig 3과 같이 (1) NC Communication API, (2) NC Capsulation Library, (3) Fanuc, Siemens Interface Library로 구성된다.

Fig. 3 
Operating sequence of unified CNC interface

NC Communication API는 HMI 플랫폼에서 호출 가능한 함수들을 제공하는 모듈로서, 데이터 요청이 오면 연결된 공작기계의 구성정보를 담고 있는 MachineList.xml 파일을 읽어 연결 성공한 CNC의 라이브러리 파일을 로드한다. 뿐만 아니라 API 초기화 및 해제, IP 주소 유효성 검사 등과 같이 통합 인터페이스가 HMI 플랫폼 혹은 이기종 제어기와 통신할 때 기능을 안정적으로 수행할 수 있도록 지원하는 함수들을 제공한다.

NC Capsulation Library는 서로 다른 인터페이스 방식을 사용하는 CNC를 표준화하여 새로운 파라미터, 메소드, 주소체계를 정의하고 기존의 CNC 인터페이스를 감싸서 동일한 인터페이스를 제공할 수 있도록 관리한다. 이 때 새롭게 정의되는 파라미터, 메소드, 주소체계는 2장에서 제시한 공작기계 상태 모델 데이터 구조에 따라 최하위 데이터 속성에 대한 데이터 코드를 부여하고 해당 데이터를 읽고 쓸 수 있는 표준 함수를 생성하는 방식으로 개발되었으며, 이에 대한 매핑 관계는 DataCodes.xml에 정의하고, 요청되는 데이터 코드에 따라 DataCodes.xml을 읽어 해당되는 표준 함수를 호출하고 실행시킨다.

Fanuc, Siemens Interface Library는 Fanuc과Siemens 에서 제공하는 API를 캡슐화하여 제공한다. 표준 함수에 대한 실제 구현문이 위치하며, 함수 내부에는 각 CNC에서 제공하는 함수 혹은 어드레스 정보를 포함하여 고유의 인터페이스 방식에 따라 CNC에 접근하게 된다.

세부 작동 시퀀스는 다음과 같다: HMI 플랫폼에서 데이터 호출 시 RegCallback( )를 통해 Callback Method를 등록하고, Initialize( )를 통해NC Communication API를 초기화한다. Connect( )를 사용하여 제어기에 연결을 시도한 후 결과를 플랫폼에 반환하고, 플랫폼에서는 ReadWriteData( )를 통해 원하는 데이터 코드를 호출한다. 데이터 코드와 매핑된 표준 함수를 실행하여 Ethernet 통신을 통해 읽어 온 데이터 결과를 반환하며, 프로그램 종료 시 Dispose( )를 통해 리소스를 해제한다.

개발된 통합 인터페이스는 HMI 소프트웨어 모듈에서 CNC 데이터를 읽거나 쓰는 기능을 모두 지원하며, HMI 플랫폼의 통신 관리자(Communication Manager)가 공작기계 상태 모델을 통해 HMI 소프트웨어 모듈과 CNC 간의 통신을 중계한다. 이하로는 데이터 읽기 요청에 대한 인터페이스 구동 로직에 대해 상세히 기술한다.

HMI 소프트웨어 모듈에서는 URI 주소체계 형태로 데이터 요청을 실행하면 해당 주소는 HMI 플랫폼을 통해 공작기계 상태 모델에서 정의된 데이터 항목에 매핑된 데이터 코드로 변환된다. 데이터 코드는 HMI 플랫폼과 통합 인터페이스가 커뮤니케이션할 수 있도록 공작기계 상태 모델에서 정의된 데이터 항목을 기준으로 데이터 구조 및 의미를 파악할 수 있는 문자열과 5자리 정수로 정의된다. Table 1은 위치 데이터에 대한 데이터 코드 예시를 나타낸다.

HMI 플랫폼으로부터 데이터 요청을 전달 받을 수 있도록 통합 인터페이스에서는 ReadWriteData( )를 API로 제공하고 Fig. 4의 구조체 형태의 파라미터를 사용하여 데이터를 요청하고 값을 반환한다. 이 구조체를 통해서 전달되는 정보는 인터페이스 하고자 하는 데이터 항목에 대응되는 데이터 코드(DEFINE_NUMBER), 읽기와 쓰기 요청을 구별하기 위한 구분자(RW)와 해당 데이터에 접근하기 위해 필요한 인덱스 번호(i, j, k)를 포함한다. 인덱스 번호 세 가지는 고정된 값이 아니며 데이터 항목마다 다른 종류를 가진다. 인덱스 번호의 종류는 상태 모델 데이터 구조 내에서 데이터 항목 별 상위 엔티티에 따라 결정된다. 예를 들어 Channel 엔티티와 Axis 엔티티 하위 데이터 항목들은 i=채널 번호, j=축 번호의 인덱스를 필요로 한다. 요청에 대한 반환 값(value)은 문자열, 정수형, 실수형 단일 값과 배열 값을 지원하며, 요청의 성공 여부(STATUS)를 확인할 수 있도록 구조체 안에 저장된다.

Fig. 4 
Data type for query and return between HMI and unified CNC interface

통합 인터페이스에서는 구조체 형태의 데이터 요청을 받아 Fig. 5의 예시와 같이 DataCodes.xml 파일에 선언된 메소드 매핑 관계에 따라 표준함수를 호출하게 된다. DataCodes.xml 파일 내에는 코드체계 규칙에 따른 데이터 코드, 제어기 유형, 읽기 요청 시 사용할 Get 함수와 쓰기 요청 시 사용할 Set 함수, 다중 읽기 또는 쓰기 요청 시 사용할 각 제어기의 파라미터 번호 및 어드레스가 저장되어 있으며, 이러한 메타 데이터에 해당하는 제어기 고유의 인터페이스 메소드를 호출하여 CNC에서 데이터를 읽거나 쓸 수 있도록 지원한다.

Fig. 5 
Example of DataCode.xml

이기종 CNC 통합 인터페이스에 대한 개발 및 테스트 환경은 Fig. 6와 같이 Fanuc, Siemens 제어기의 NC커널, X/Y/Z축과 스핀들에 대한 모터 드라이브 모듈, HMI로 구성된 시뮬레이터, 시뮬레이터와 Ethernet 통신으로 연결된 워크스테이션으로 구성된다. 제안된 공작기계 상태 모델과 이기종 CNC 통합 인터페이스에 대한 검증 테스트를 위해 산업용으로 가장 많이 사용되는 제어기들 중에 주소체계와 인터페이스 방식이 다른 Siemens, Fanuc 제어기를 대상으로 선정하고, Siemens는 840D 모델에 대한 시뮬레이터를, Fanuc은 31i-B 모델로 구성하였다. 또한 제안된 공작기계 상태 모델을 참조하여 139종의 표준함수를 라이브러리로 구현하고 이를 호출할 수 있는 API를 통해 테스트 App을 개발하였으며, 워크스테이션에 해당 라이브러리와 테스트 App을 탑재하여 작동성 테스트를 수행하였다. 개발 환경은 .NET Framework 4.5 기반의 Visual Studio 2012 professional에서 C#을 사용하였으며, Siemens의 Programming Package 4.7와 Fanuc의 FOCAS2 Library 4.2를 기본 라이브러리로 채용하였다.

Fig. 6 
Testbed configuration

통합 인터페이스 작동성 테스트 진행 방식은 다음과 같다. 각 CNC 시뮬레이터에 동일한 ISO 코드로 구성된 NC 프로그램을 실행시키고, Fig. 7과 같은 테스트 App 커맨드에서 나타나는 데이터 값과 각 시뮬레이터의 HMI 화면에 출력되는 값을 비교한다. 쓰기의 경우는 테스트 App 커맨드를 통해 동일한 값을 입력하고 각 시뮬레이터의 HMI 화면에 해당 값이 제대로 반영되는지 확인한다. 동일한 테스트 App을 사용하여 각 시뮬레이터 별로 같은 테스트를 순차적으로 반복 시행한다.

Fig. 7 
Example of test app command

Fig. 8은 테스트 예시 화면이다. 축의 위치와 관련된 4가지 유형의 데이터 항목, 머신좌표, 절대좌표, 남은 거리, 상대좌표를 읽어 오기 위해서는, 테스트 App에 API ReadWriteData( )에 구조체 cncdata 타입 파라미터의 속성에 따라 DEFINE_NUMBER는 4개 데이터 항목의 데이터 코드, i는 채널 번호, j는 축 번호, RW는 READ를 입력값으로 할당하여 실행하면, 통합 인터페이스에서는 표준함수 getMachineAxisPosition( ), getAbsoluteAxisPosition( ), getDistanceToGoPosition( ), getRelativePosition( )를 호출하여 해당 값을 출력한다. 이때 연결되어 있는 CNC 유형은 통신 시작과 함께 대상 공작기계에서 받아 와서 MachineList.xml에 저장되어 있으며, MachineList.xml의 CNC 유형 정보와 구조체 cncdata 타입 파라미터로 넘어 온 메타데이터에 따라 DataCode.xml를 통해 해당 표준함수를 호출하게 되는 방식이다. 테스트 App 커맨드에 출력되는 데이터를 CNC 시뮬레이터의 HMI 화면에 출력된 값과 비교하면서 139종의 표준함수를 테스트하였으며, 해당 데이터 값이 일치하는 것으로 정상 작동하는 것을 확인하였다. Table 2는 위치 데이터 인터페이스에 대한 표준함수 예시를 나타낸다.

Fig. 8 
Screen shot of test example